GENERALITÁ IMPIANTI DI DEPURAZIONE BIOLOGICA A FANGHI ATTIVI

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1 GENERALITÁ Il tipo di trattamento detto a fanghi attivi che utilizza una flora batterica prevalentemente aerobica è quello più utilizzato per il trattamento dei reflui civili in quanto consente uno scarico finale con caratteristiche tali da poter nella grande maggioranza dei casi essere scaricato in acque superficiali senza ulteriori trattamenti. Nei trattamenti biologici, batteri e altri microrganismi rimuovono e metabolizzano le sostanze organiche solubili e colloidali di un acqua di scarico, riducendone, quindi il carico inquinante organico. I batteri aerobici richiedono che nell acqua sia presente dell ossigeno disciolto. In presenza di questo elemento, i batteri aerobici utilizzano le sostanze organiche sospese e disciolte per produrre altri batteri (fase di sintesi). Questo processo ha un andamento esponenziale perciò, in presenza di sostanza organica in abbondanza, il numero dei batteri cresce in modo vertiginoso. Se invece la quantità di materia organica disponibile è insufficiente rispetto al numero di batteri presenti, s instaura un processo di competizione e di auto-distruzione in cui i batteri utilizzano il loro stesso materiale cellulare per produrre le reazioni chimiche necessarie alla loro attività (fase di cannibalismo o di respirazione endogena). Nel trattamento biologico coesistono entrambi i processi e una fase prevale sull altra a seconda del rapporto tra sostanza organica disponibile e quantità di batteri, cioè tra carico organico e massa-batterica. Questo rapporto solitamente indicato come F/M è detto anche carico di fango. Il sistema a fanghi attivi è sostanzialmente costituito da una vasca aerata artificialmente (reattore biologico o bacino di ossidazione) seguita da una vasca di decantazione (sedimentatore secondario). I batteri che si sviluppano durante il processo, si riuniscono in colonie simili a fiocchi di fango (fango attivo). Se questo fango venisse scaricato insieme all acqua trattata, la concentrazione di batteri (biomassa) nel reattore biologico resterebbe molto bassa e non si verificherebbe alcun apprezzabile riduzione del carico inquinante in ingresso, come infatti avviene in fase di avviamento di un impianto. Se, invece, il fango attivo viene fatto decantare e riciclato nella vasca di aerazione, la popolazione batterica aumenta progressivamente sino ad ottenere una concentrazione in grado di demolire/adsorbire tutta la sostanza organica in ingresso. Raggiunto questo valore, continuando il processo, si genera del fango in eccesso (fango di supero) che deve essere allontanato dal sistema. Il trattamento ovviamente richiede un aerazione forzata che fornisca ossigeno nella quantità richiesta dal processo biologico assicurando nello stesso tempo la miscelazione dell acqua e contatto con il fango attivo. L aggiunta di sostanze nutritive, principalmente azoto e fosforo, è richiesta molto raramente nel caso di scarichi civili ma può essere necessaria per il trattamento di particolari scarichi poveri di questi elementi. I trattamenti biologici vengono differenziati in funzione del carico di fango cioè dal rapporto F/M dove F = kg giornalieri di BOD5 in ingresso all impianto e M = kg di solidi sospesi (fango attivo) presenti nell impianto. Un basso valore di F/M (ad es. inferiore a 0,1) favorisce il processo endogeno (cioè minor produzione di fango e un fango più digerito e mineralizzato) mentre un alto valore (ad es. superiore a 1) favorisce quello di sintesi (maggiore produzione di fango e un fango fresco con un elevato contenuto di sostanza organica). Il processo a fanghi attivi più utilizzato negli impianti di trattamento reflui civili di piccole e medie dimensioni è quello denominato ad ossidazione totale ed è caratterizzato da un basso carico di fango con valori di F/M uguali od inferiori a 0,1. La quantità di batteri quindi è circa 10 volte quella della sostanza organica contenuta nell effluente grezzo. In queste condizioni la formazione di fango di supero è limitata e il fango prodotto molto stabilizzato/mineralizzato. Inoltre si favorisce la trasformazione dell azoto ammoniacale e proteico in azoto nitrico (nitrificazione) processo operato dai batteri nitrificanti la cui crescita e attività sono particolarmente facilitate in condizioni di basso carico. Il fango del sedimentatore secondario viene nuovamente rinviato alla vasca di ossidazione. Il volume di fango riciclato alla vasca di aerazione viene generalmente espresso come percentuale del volume dell effluente grezzo in ingresso. Negli impianti ad ossidazione totale la percentuale di ricircolo è normalmente dell ordine del 100%. Per effetto del riciclo, la concentrazione di fango nella vasca di ossidazione aumenta progressivamente e, pertanto, è necessario effettuare delle operazioni periodiche di spurgo per mantenere il rapporto F/M sui valori di progetto. Nel caso di impianti ad ossidazione totale, caratterizzati da produzioni di fango di supero molto modeste, la frequenza di queste operazioni è piuttosto rara. 2

2 DESCRIZIONE DEGLI IMPIANTI 1. PREMESSA La presente relazione descrive le varie tipologie d impianto proposte dalla Società ANTERA per la depurazione delle acque di scarico di effluenti domestici o assimilabili. L impianto base è un depuratore biologico aerobico che opera in condizioni di ossidazione totale e consiste delle seguenti fasi: > linea acqua: ossidazione biologica con rimozione/degradazione delle materie organiche carbonacee (riduzione del BOD5) e nitrificazione (ossidazione dell azoto ammoniacale a nitrato), e sedimentazione secondaria > linea fango: ricircolo del fango sedimentato e spurgo del fango di supero. Le varie opzioni qui descritte sono esemplificative, infatti i vari trattamenti possono essere anche combinati tra loro anche con schemi e raggruppamenti diversi da quelli qui rappresentati. 2. PARAMETRI E VALORI USATI NEL DIMENSIONAMENTO DEGLI IMPIANTI Gli impianti vengono dimensionati sulla base degli utenti nei periodi di massima frequenza (abitanti serviti) o dell inquinamento equivalente (abitanti equivalenti) in modo da garantire un effluente finale con caratteristiche entro i limiti d accettabilità previsti dal DLgs 152/06. Carico inquinante: - BOD (i) 5 60 g per A.E. al giorno - TKN (ii) 8 g per A.E. al giorno Dotazione idrica: 250 l per A.E. al giorno Coefficiente di rigetto: 80% Volume totale reflui : m3/giorno (N x 250 x 0,8 : 1000) (i) (ii) BOD 5 = richiesta biochimica d ossigeno a 5 giorni TKN = Azoto totale Kjeldhal 3. VARIE TIPOLOGIE D IMPIANTO Gli impianti sono modulari realizzati con vasche monoblocco prefabbricate in calcestruzzo armato e variamente equipaggiate a seconda della loro funzione nel ciclo depurativo. L installazione tipica prevede che le vasche siano interrate ad un livello tale da consentire lo scarico per gravità nel corpo idrico ricettore o nella rete fognaria, rinfiancate una per una con gettate di cemento e rialzate al piano di calpestio con anelli e/o solai di calcestruzzo armato su cui sono ricavati dei vani d ispezione, coperti con apposite lamiere o lapidi in calcestruzzo armato, in modo da consentire una agevole ispezione e manutenzione dell impianto. Essendo realizzato con vasche monoblocco, l impianto offre la massima garanzia di tenuta idraulica, di stabilità strutturale e di resistenza nel tempo all azione corrosiva dei liquami. Inoltre, in quanto realizzato per moduli, l impianto può essere posizionato in modo da adattarsi all area esistente e, se necessario, anche facilmente ampliato in futuro. 3

3 3.1 IMPIANTO BASE È l impianto nella sua forma più essenziale grigliatura (opzionale): ossidazione (soffi ante e diffusori) sedimentazione (sedimentatore statico) ricircolo fango (pompa sommergibile o, negli impianti più piccoli, air-lift) GB: cestello o griglia a barre (opzionale) RD: rampa diffusori a membrana LEGENDA SCL: soffiante a canali laterali PRF: pompa ricircolo fango attivo Grigliatura L installazione di una griglia è opzionale e legata alle condizioni ed effettive esigenze del singolo impianto (ad esempio: canalizzazione aperta che può ricevere fogliame o altri materiali, lavorazioni o processi che generano residui, ecc,). In questi casi il liquame grezzo è sottoposto ad una grigliatura grossolana per la rimozione dei solidi grossolani (foglie, stracci, oggetti in plastica, ecc.) che potrebbero intasare le tubazioni e le pompe. I solidi trattenuti dalla griglia devono essere periodicamente rimossi mediante intervento manuale di un operatore. Griglie meccanizzate a pulizia automatica possono essere installate negli impianti di maggiore capacità. Vasca di ossidazione Il bacino di ossidazione è il componente dell impianto preposto alla rimozione delle sostanze organiche carbonacee (BOD e COD) e dell azoto ammoniacale presenti nel liquame che tramite ossidazione biologica vengono trasformati rispettivamente in anidride carbonica, acqua e sottoprodotti, e azoto nitrico. Al suo interno è equipaggiata con una rampa di distribuzione dell aria composta da diffusori a bolle fini a membrana micro-fessurata in gomma sintetica autopulente. I diffusori sono posti sul fondo della vasca ed alimentati dalla soffiante tramite tubazioni discendenti. I diffusori sono fissati alla linea di distribuzione dell aria con dei raccordi a tre pezzi per lo smontaggio anche a vasca piena per interventi di pulizia o sostituzione. La linea di distribuzione è dotata di valvole di intercettazione e regolazione della portata dell aria. Le soffianti sono del tipo a canale laterale specifiche per la loro alta efficienza e bassa rumorosità. Sulla mandata della soffiante su richiesta può essere installato un manometro a bagno di glicerina che indica la pressione di lavoro e consente una rapida valutazione dello stato di intasamento delle membrane dei diffusori. Nel caso di utilizzo di due soffianti (1 + 1 stand-by), queste funzionano alternativamente e, in caso di fuori-servizio di una macchina, il programma di funzionamento viene trasferito all altra. Per limitare il consumo d energia il funzionamento della soffiante è regolato da un timer programmabile che consente di modulare l aria e l ossigeno fornito secondo le necessità (ad es. giorno e notte) con cicli diversi di pausa e lavoro. Sedimentazione e riciclo fango biologico La sedimentazione secondaria è costituita da una zona di quiete (non miscelata) in cui si realizza la decantazione della miscela liquame/biomassa proveniente dal bacino di ossidazione con conseguente separazione del fango biologico dall acqua chiarificata che viene definitivamente scaricata. Il fango raccolto sul fondo del sedimentatore viene prelevato da una pompa sommergibile e nuovamente riciclato al bacino di ossidazione. 4

4 La portata della pompa viene regolata mediante valvola sulla mandata ed il suo funzionamento programmato a mezzo timer. La vasca ha il fondo inclinato a tramoggia ed è equipaggiata con i dispositivi tipici dei decantatori a flusso ascendente. Lo spurgo del fango di supero, cioè il fango in eccesso rispetto alla quantità richiesta per il processo biologico, verrà effettuato a mezzo di autobotti di ditte specializzate. La frequenza di questa operazione (circa una volta all anno) è molto bassa, infatti il processo ad ossidazione totale è quello che produce la minore quantità di fango di supero. La fase di sedimentazione è costituita da: > vano di sedimentazione; > tubazione di immissione del liquame, cilindro deflettore centrale, canale di raccolta chiarificato con sfioro a profilo Thompson, e condotto di scarico. > pompa sommergibile per acque con elevati solidi in sospensione; Quadro elettrico L impianto è completamente automatico: i tempi di pausa e lavoro della soffiante e della pompa di ricircolo fango sono regolati da timer programmabili. L estrazione del fango di supero viene effettuata con autobotte quando richiesto e il fango affidato a ditte specializzate. Le apparecchiature elettriche di comando e di controllo dell impianto sono assemblate secondo norme CEI in un armadio con protezione IP55. La soffiante e la pompa sono dotate di protezione magneto-termica e di spia di funzionamento e di allarme di guasto che possono essere anche utilizzati per il telecontrollo o controllo a distanza. 3.2 OPZIONE 1 (con controllo della portata in ingresso) In questo caso, in testa all impianto base viene installata una vasca di bilanciamento di opportuna capacità in grado di assorbire le punte di scarico allo scopo di creare un polmone che consenta di rinviare l effluente al trattamento biologico ad una portata stabilita e costante. L impianto è così formato: grigliatura (opzionale): bilanciamento/preareazione (miscelazione mediante soffi ante e diffusori) ossidazione biologica (soffi ante e diffusori) sedimentazione (sedimentatore statico) ricircolo fango (pompa sommergibile) GB: cestello o griglia a barre (opzionale) RD-1: rampa diffusori a membrana (vasca di bilanciamento) Lc: interruttore a galleggiante RD-2: rampa diffusori a membrana LEGENDA SCL-1: soffiante a canali laterali (aerazione/miscelazione vasca bilanciamento) PS: pompa di sollevamento SCL-2: soffiante a canali laterali (ossidazione biologica) PRF: pompa ricircolo fango attivo 5

5 Bilanciamento idraulico e rilancio dei liquami II bilanciamento idraulico ha la funzione di assorbire le punte di scarico e, quindi, di regolare la portata in ingresso al trattamento biologico. Il liquame viene mantenuto in agitazione mediante insufflazione d aria che evita, oltre alla sedimentazione dei solidi sospesi, anche l instaurarsi di condizioni anaerobiche con fenomeni putrefattivi e possibili cattivi odori. II sistema di miscelazione/aerazione è costituito da un compressore centrifugo (SCL-1) e diffusori (RD-1) per la distribuzione dell aria posti sul fondo della vasca. La pompa (PS) rilancia il liquame al successivo trattamento biologico. La pompa, del tipo sommergibile, è dotata di valvole by-pass per la regolazione della portata ed è azionata da un interruttore di livello a galleggiante (Lc). La portata della pompa è stabilita in fase di avviamento dell impianto regolando il by-pass. Il funzionamento della soffiante SCL-1 e i tempi di pausa e lavoro sono regolati da un timer programmabile. Questa tipologia d impianto è particolarmente adatta quando la produzione e lo scarico dei reflui sono concentrati in particolari momenti della giornata. I principali vantaggi sono: un carico in ingresso al biologico più uniforme e, quindi, un funzionamento più regolare dell impianto durante l intera giornata; la possibilità di installare un zona di sedimentazione più piccola in quanto dimensionata sulla portata media e non quella di punta. 3.3 OPZIONE 2 (con pre-sedimentazione del liquame grezzo) Dopo grigliatura (opzionale) l effluente viene inviato in una vasca di sedimentazione. In condizioni di quiete, gran parte dei solidi sedimentabili si depositano sul fondo della vasca dove subiscono un ulteriore trattamento di digestione anaerobica. Questa vasca può essere del tipo Imhoff o anche semplicemente una vasca con dei setti deflettori che regolano il flusso dell acqua. L impianto è così formato: grigliatura (opzionale): pre-sedimentazione ossidazione biologica (soffi ante e diffusori) sedimentazione (sedimentatore statico) ricircolo fango (pompa sommergibile) estrazione del fango di supero (pompa sommergibile) GB: cestello o griglia a barre (opzionale) RD: rampa diffusori a membrana PF: pompa estrazione fango di supero LEGENDA SCL: soffiante a canali laterali PRF: pompa ricircolo fango attivo 6

6 Pre-sedimentazione del liquame grezzo La pre-sedimentazione del liquame ha lo scopo di ridurre il carico organico (BOD e COD) in ingresso al biologico. La pre-sedimentazione o sedimentazione primaria di reflui civili grezzi consente un abbattimento del 20-25% del BOD iniziale. Il minor carico in ingresso comporta una semplificazione dell impianto biologico a valle e, in particolare, una minore richiesta di ossigeno e quindi minori consumi energetici. Questo sistema trova una giustificazione tecnico/economica per impianti di medio-alta capacità dove i maggiori costi di installazione vengono compensati da minori costi di gestione e può essere vantaggiosamente utilizzato per aumentare la capacità di un impianto senza dover apportare importanti modifiche alle opere esistenti. 3.4 OPZIONE 3 (con rimozione dell azoto nitrico) In opportune condizioni specifici batteri riducono l azoto nitrico in azoto gassoso poi disperso nell atmosfera (denitrificazione). Il processo avviene in condizioni strettamente anossiche, cioè in assenza di ossigeno disciolto, e viene effettuato in ingresso all impianto miscelando effluente trattato (mixed liquor) contenente i nitrati con l effluente grezzo che fornisce il carbonio necessario allo sviluppo dei batteri. L impianto è così formato: grigliatura (opzionale): denitrifi cazione ossidazione biologica e nitrifi cazione (soffi ante e diffusori) ricircolo mixed liquor (pompa sommergibile) sedimentazione (sedimentatore statico) ricircolo fango (pompa sommergibile) estrazione del fango di supero GB: cestello o griglia a barre (opzionale) SCL: soffiante a canali laterali PRL: pompa riciclo mixed liquor LEGENDA MX: agitatore meccanico (e.g. mixer sommergibile) RD: rampa diffusori a membrana PRF: pompa ricircolo fango attivo 7

7 Denitrificazione Negli impianti ad ossidazione totale l azoto ammoniacale (N-NH3) viene quantitativamente trasformato in azoto nitrico (N-NO3). Il limite dell azoto nitrico è 20 e 30 mg/l per lo scarico in acque superficiali e in pubblica fognatura rispettivamente. Pertanto il refluo in uscita dal trattamento a fanghi attivi generalmente rispetta i limiti per l azoto ammoniacale ma può superare quelli per l azoto nitrico. In questi casi è richiesto l installazione di un comparto supplementare di nitrificazione che, come si è detto, viene installato a monte dell impianto.. Alcune note sul processo di denitrificazione: > il processo avviene in assenza di ossigeno disciolto: è importante effettuare un alto riciclo di fanghi, dare un tempo di contatto sufficientemente lungo e effettuare una miscelazione con sistemi meccanici che non determino eccessive turbolenze. > essendo un sistema dinamico la portata di ricircolo del mixed liquor alla vasca di denitro va regolata in base al rapporto tra valore di TKN dell effluente grezzo e il limite dell azoto nitrico allo scarico. Il miscelatore MX e anche la pompa sommergibile PRL funzionano in modo continuo; il resto dell impianto opera in modo automatico con i programmi di pausa e lavoro visti precedente. Nel caso di reflui civili abbastanza diluiti un trattamento di denitrificazione non è richiesto in quanto il contenuto di TKN dell effluente grezzo consente il rispetto dei limiti allo scarico per l azoto nitrico. Questo ulteriore trattamento può essere necessario per scarichi civili più concentrati o di reflui assimilabili con un maggior contenuto d azoto e nel caso di scarico sul suolo dove è previsto un contenuto massimo di azoto inferiore a 15 mg/l come azoto totale. 3.5 OPZIONE 5 (con stoccaggio e digestione fango di supero) Questa opzione può essere utilizzata in combinazione con tutte le altre precedentemente viste. Le uniche differenze consistono nell istallazione di una seconda pompa sommergibile PF nella vasca di sedimentazione e di una vasca di stoccaggio/digestione anaerobica del fango. Il funzionamento della pompa PF è temporizzato con un timer programmabile. Il vantaggio di questa alternativa è quella di limitare il volume di fango di supero e quindi di ridurre i costi di trasporto e smaltimento finale. 8

8 3.6 OPZIONE 6 (con disinfezione finale) Questo ulteriore trattamento è richiesto solo nel caso si debbano rispettare allo scarico standard microbiologici. Ciò viene generalmente richiesto dalle Autorità Locali solo nel caso di attività particolari (ospedali, ospizi, ecc.) o di corpi ricettori particolarmente sensibili. Il comparto di clorazione viene installato in coda all impianto di trattamento dove si effettua la disinfezione dell acqua trattata tramite reazione con composti battericidi a base cloro (generalmente soluzione di ipoclorito di sodio). La reazione avviene in un bacino di contatto dove l effluente dal sedimentatore biologico viene trattato col prodotto battericida opportunamente dosato con pompe dosatrici. Il processo è di più facile conduzione nel caso descritto nell opzione 1 (impianto con regolazione/controllo della portata in ingresso) infatti in questo caso il dosaggio del prodotto può essere asservito al funzionamento della pompa di rilancio (la pompa dosatrice viene azionata dallo stesso interruttore a galleggiante Lc della pompa PS). Negli altri casi o viene inserito una piccola stazione di rilancio dopo la sedimentazione facendo funzionare il dosaggio come nel caso precedente o si deve installare un sistema di controllo (cloro-residuometro o altro). 4. PREROGATIVE DELL IMPIANTO Così conformato e dimensionato l impianto presente le prerogative di seguito descritte. Rispetto dei vincoli paesaggistici e ambientali L impianto è completamente interrato e non produce odori né rumori molesti. Inoltre, essendo strutturato con murature monoblocco (per di più rinfiancate) offre la massima garanzia di tenuta idraulica, di stabilità strutturale e di resistenza nel tempo all azione corrosiva dei liquami. Rispetto dei vincoli normativi Per la massima utenza prevista, l impianto attua un ciclo depurativo a fanghi attivi ad aerazione prolungata (ossidazione totale) con i seguenti risultati: riduzione del carico inquinante delle acque entro i limiti di accettabilità allo scarico previsti dalla Legge N 152/06. residuo di un fango biologico di supero largamente stabilizzato e quindi conferibile in discarica dopo idoneo trattamento finale di disidratazione. 9